盾构施工关键技术及其发展.

钟显奇广东省基础工程公司盾构施工关键技术及其发展盾构施工的关键技术1.洞门处理技术2.水土压力平衡技术和土石方排放3.地面沉降控制4.管片背后注浆5.姿态控制6.刀盘布置技术和混合地层施工技术7.急转弯技术8.质量控制措施SEW----ShieldEarthRetainingWallSystemShieldEarthRetainingWallSystem始发井到达井地盤改良地盤改良SEW壁SEW壁側壁砂材料ｴﾝﾄﾗﾝｽ支保工用于盾构始发和到达的SEW工法洞门处理技术ＳＥＷ（ShieldEarthRetainingWall）従来工法SEW工法ShieldEarthRetainingWallSystem地盤改良シールド機地盤改良FFU壁ｴﾝﾄﾗﾝｽ地盤改良範囲FFU材料的使用本区间左线盾构机始发是采用SEW工法进行盾构始发，它的工作原理就是在盾构始发洞门范围内的围护结构上，预先埋设一种玻璃纤维材料（简称FFU），形状大小可结合围护结构的形式进行预制，利用在材料两端的钢结构分别与围护结构的钢筋进行连接，以保证材料与围护结构钢筋笼的整体性，在围护结构施工时可随钢筋笼一起放入槽段（孔）内，然后浇注混凝土。运用FFU材料加固后的左线始发洞门左线盾构始发在盾构始发时，盾构机可以直接通过围护结构，对FFU进行切削，免除了传统上洞门凿除的工序，另外由于该材料在预埋时，根据围护结构的受力情况，考虑到其强度问题以保证洞门的稳定性，因此在盾构始发前，也可取消对端头进行加固的工作。盾构机切削FFU材料时排出的渣样水土压力平衡技术土压平衡在泥土仓内将土体拌和成流塑的“熟土”，“熟土”从螺旋出土器中排出，通过在泥土仓内压入泥浆或压缩空气，即使土体容易排出，同时维持压力的平衡。但螺旋出土器容易喷涌。泥水平衡通过泥水循环，维持一定的压力，保持地层的稳定，同时将土渣输送到地面。不同的地层，压力设定的方法不一样。淤泥：静止土压力，砂层：水压力，均加2m水头。管片管片拼装机管片拼装机pinzhuang24个盾构推进千斤顶同步注浆管硬岩刀盘软岩刀盘盾构形式：泥水加压平衡式盾构；盾构外径：Φ6260；盾构机身长度：8170mm；总推力：36000kN；最大扭矩：6327kN·m；刀盘转速：0.2～3.4rpm；最大推进速度：6.7cm/min；背填注浆形式：双液浆（水泥浆＋水玻璃）泥水平衡盾构机的原理开挖面被加以大于孔隙水压力的泥浆压力，使工作面得以稳定。泥水平衡盾构利用泥水平衡开挖面压力及输送掘削下来的土体，是一种先进的盾构工法。泥水盾构的主要特点：1、在易发生流砂的地层中能稳定开挖面。2、泥水压力传递速度快而均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量的控制精度高。3、盾构出土由泥水管道输送，速度快而连续，减少了电机车的运输量，保证安全及文明施工。4、需要较大规模的泥水处理设备及场地。泥水循环流程及泥水分离处理泥水盾构通过泥浆循环将碴土携带到地面，通过泥浆处理场将浆、碴分离，碴土外运，泥浆则循环使用，每台盾构机泥浆循环量约500m3/h。泥水处理设备泥浆处理设备在工作(2005.2.1)土渣分离系统出渣情况(2005.2.1)泥浆池布置地面沉降控制技术关键是压力控制地面沉降控制注浆效果示意图壁后注浆层过江采用声纳法进行监测采用了声纳法对盾构过珠江时江底沉降进行监测。声纳法监测点布置示意图右线过江沉降曲线图-3-2-1012345108118128138148158168178188198208218228238248环号原河床泥面线盾构机过后泥面线江堤和过江段沉降曲线Φ6260泥水平衡盾构机侧面盾构机刀盘正面刀盘布置技术和混合地层施工技术刀盘刀具配置与选用主切削刀：贝壳刀→→→滚刀（单刃及双刃滚刀）中心刀：鱼尾刀→→→中心滚刀刮刀第一种断面：古河道冲刷形成的典型断面，接触面含粗砂和砾石，掘进过程容易卡住刀盘。上软下硬地层的两种断面情况上软下硬地层的特点上软下硬地层施工而且该地层由于明显的强弱过渡，容易对刀具产生强烈的冲击而造成崩、裂的不利影响。另外，8中风化岩层地层造成掘进困难，若掘进缓慢，则对上部的3-2砂层容易产生因过分的扰动而塌方。第二种断面有如下情况：底下的8中风化岩层地层掘进困难，中间的6、7地层容易产生泥饼，上部的3-2砂层容易塌方，因此，泥浆性能指标和掘进参数必须严格控制好，方能确保掘进顺利。该地层不具备自然条件下开仓换刀的条件。大中区间地质复杂多变，刀盘断面上部为3-2砂层、下部为8、9岩层，是典型的上软下硬地层，该岩层完整性好，且含砾石，对刀具的磨损很大，刀盘也容易结泥饼给盾构的掘进带来了极大的困难。区间左线在444环开仓换完刀后（外周9把滚刀，其余为贝壳刀），掘进到510环开仓后检查刀具发现17贝壳刀磨损严重。2）上软下硬地层对刀具的磨损大1）上软下硬地层中沉降控制难度大上软下硬地层施工的难点开挖面轨迹线非常清晰，岩层完整性很好，岩石成分主要为泥岩、砂质泥岩，局部存在砾岩岩石强度约10～30Mpa，部分地层的泥岩中含有很多砾石，砾石强度高达80～100Mpa。贝壳刀极其容易磨损，配置滚刀时，控制也很关键，否则也容易出现偏磨。断层破碎带岩样3）容易形成泥饼盾构在高粘性土或泥质岩等地层中掘进时可能会在刀盘尤其是中心区部位及土仓隔板前刀盘支撑之间产生泥饼，当产生泥饼后，泥饼会裹住滚刀使用滚刀偏磨，从而导致掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，使盾构掘进困难，大大降低开挖效率。掘进过程必须做好对刀具的保护措施，一旦刀具磨损，盾构掘进将变得异常困难，甚至无法继续掘进。3.4.1选用合理的刀具实践证明，以滚刀为主配置主切削刀具。本项目在采用滚刀掘进后，平均每天掘进进度为5～6环，且刀具磨损在正常范围内，滚刀也未出现偏磨。配置贝壳刀的刀盘配置滚刀的刀盘上软下硬地层施工的主要技术措施出洞刀具图防泥饼及滚刀偏磨技术措施⑴在有泥饼形成条件的地层，中央操控人员要严格监测盾构机的各种参数，合理的控制掘进速度，及时用低比重优质泥浆置换土仓内粘土，防止粘土在土仓内堆积，保证刀盘开口处通畅。⑵在掘进过程中每掘30cm清洗一次土仓，防止土仓内结成泥饼。可大大降低泥饼的形成或化解初步形成的泥饼。⑶对泥浆处理设备的出土温度进行跟踪监测，对土仓隔板的温度也进行人工随时探测。以便及时发现异常苗头。右线配置贝壳刀在上软下硬地层中掘进参数曲线图0369121518212427303336364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394环号掘进速度(mm/min)切口水压(10KPa)刀具转矩(100KN.m)盾构推力(1000kN)实施效果右线配置滚刀在上软下硬地层中掘进参数曲线图0369121518212427303336492497502507512517522527532537542547552557562567572577582587592597602607612环号掘进速度(mm/min)切口水压(10KPa)刀具转矩(100KN.m)盾构推力(1000kN)左线配置贝壳刀在上软下硬地层中掘进参数曲线图036912151821242730333639378383388393398403424429434439444环号掘进速度(mm/min)切口水压(10KPa)刀具转矩(100KN.m)盾构推力(1000kN)左线配置滚刀在上软下硬地层掘进参数曲线图05101520253035511516521526531536541546551556561566571576581586591596601环号掘进速度(mm/min)切口水压（10KPa）刀具转矩(100KN.m)盾构推力(103KN)广茂铁路的沉降控制地面沉降监测点除了沿隧道轴线方向按要求布置剖面监测点和横剖面的监测点外，在隧道与铁路的交点处另外增设监测点，并沿着与铁路垂直的方向布设横剖面的监测点，同时，在铁路与隧道的交点处两侧的路基上，相隔6m距离布两个点，以监测路基的沉降。上软下硬地层施工的沉降控制情况盾构过广茂铁路地面沉降曲线图左线过广茂铁路地面沉曲线图-12-10-8-6-4-202420421422423425427428430432435环号左线过广茂铁路地面沉降量(mm)地表的时间沉降曲线-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.0015.0020.0025.009-109-129-149-169-189-209-229-249-269-289-3010-210-410-610-810-1010-1210-1410-1610-1810-2010-2210-2410-2610-2810-30时间沉降值（mm）盾构机刀盘距监测点距离（m）铁路路肩59-1沉降曲线刀盘距监测点距离（m）盾尾距监测点距离（m）0位置路肩点59-1地表沉降曲线大~中区间段穿过广茂铁路后，左、右线均马上进入急曲线段，左线的急曲线段半径为260m，右线的急曲线段半径为290m，在急曲线段内，左、右线的线路纵向坡度均约为3‰的下坡和23‰的上坡。小半径急转弯盾构隧道施工技术难题1：盾构机如何在急转弯段解决盾构推力问题？正常情况下的纠偏和＞R500m的转弯，通常是采用千斤顶的偏选来使盾构机转弯或纠偏的，但对于急转弯段来说，千斤顶的过分偏选，将造成两个问题：①每个千斤顶能提供的推力约120t，若选用的千斤顶太少，无法提供盾构掘进所需的推力；②管片受力过于集中，会对管片产生破坏。急转弯段施工的难点本工程最小转弯半径为260m，急转弯段的地层既有近乎全断面岩层也有全断面的软弱土层（砂层和淤泥层）。实现盾构机转弯，有如下难题：难题2：在岩层中掘进，如何保证开挖直径，保证盾构机在岩层中能顺利转弯而不被岩层卡住？盾构机在岩层中转弯，需要的超挖量是多少如何保证开挖直径，这些，在掘进前必须计算清楚，并制定好相关措施，使盾构机在岩层中能顺利沿计划曲线转弯。如若盾构机在岩层中被卡住，将使盾构机的推力变得很大，甚至无法掘进。难题3：在软弱地层中掘进，因盾构机的阻力和推力均较小，如何使盾构机在掘进过程中提供足够的侧向力，使盾构机能在软土层中顺利转弯？盾构机是一个刚体，在软土地层中掘进时，容易出现整体平移现象，这使得盾构机在软弱土层中掘进时，同样须预先制定好相关措施，使盾构机能顺利沿计划曲线转弯。如若盾构机在软弱土层中无法转弯，将使盾构机远离计划曲线，施工失败。难题4：如何使管片受力尽量均匀，以保护管片？问题5：如何控制在侧向力的作用下，不要产生过大的偏移？隧道整体易因侧向分力向弧线外侧偏移急曲线隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度，在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后，受到侧向分力的影响，隧道易向圆弧外侧偏移从而可能导致管片超限。问题6：如何控制盾构掘进的线形？如何控制盾构机姿态？出现偏差怎么办？在急曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。曲线半径越小、盾构机身越长，则拟合难度越大。在急曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线，为了使得折线与急曲线接近吻合，掘进施工时需连续纠偏。特别在缓和曲线段，每环甚至每米施工参数都有所不同，盾构机姿态控制难度更大。问题7：广州盾构施工通用的环宽1.5m管片能否满足转弯要求？问题8：管片如何选型？要注意哪些问题？如何使盾构机转弯？盾构的急转弯主要靠铰接装置和千斤顶的选用来实现盾构机的铰接装置对于本工程最小转弯半径为260m，若不开启铰接是无法满足转弯的。盾构机启用铰接进行曲线掘进，铰接的开启量于曲线半径有关，最理想的开启量是：盾构机在打开铰接后，其前后体均沿计划曲线行走。根据这一原则，可计算本工程所采用盾构机，在打开铰接后，其能转弯的最小